土木工程材料原理与方法12-无损检测方法简介共振法、超声法-2010

土木工程材料试验原理与方法(设计)东南大学材料学院庞超明Email:pangchao@办公电话：52090638手机木工程材料试验原理与方法2一杯子，一辈子......

如果人生是杯水，那自己的人生是什么？

是如红茶般醇厚，还是如绿茶般清香；

是如白酒的浓烈，还是如咖啡的香醇；抑或只是白开水，没有色彩，平淡无奇？

内容回顾无损检测法——表面硬度法测试方法、体系无损检测原因、定义、特点表面硬度法回弹法——重点贯入阻力法拔出法土木工程材料试验原理与方法3测试方法：有损、无损检测宏观、细观(介观)、微观、纳观

(Macro,mesoandmicro、nano)无损检测：不影响结构或构件使用功能，以电子学、物理学为基础，直接测定某些适当的物理量，并通过预先建立的相关性，推定强度、均匀性、连续性、密实度、缺陷、裂缝等性能和性能变化过程测试方法。土木工程材料试验原理与方法4表面硬度法建筑材料回弹法：重点，详细介绍原理、影响因素、曲线形式、方法等贯入阻力法：射入法、气压射钉枪拔出法：预埋、后装金属材料：硬度：抵抗局部塑性变形的能力——刻划法、弹性回跳法、压入法压入法---布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。土木工程材料试验原理与方法5内容提要超声法：重点原理、方法、定义声波的衰减分贝混凝土中的超声波特征参数影响因素测强测试方法综合法土木工程材料试验原理与方法6土木工程材料试验原理与方法超声法超声脉冲波速与材料的弹性性质有关测定传播时间和脉冲在砼中的衰减值，探测砼中的缺陷、裂缝、动弹模及强度。波通过破损以最短距离传递，砼越密实，传播速度越快。——定性判断砼强度。广泛应用——砼性能、金属材料的超声探伤等。7土木工程材料试验原理与方法超声法测试混凝土强度定义：采用能量转换的方法，运用电能转换为超声能量，即产生超声波，当超声波在材料中传播后，将其放大处理后又转换为电能，用来测试材料性能的一种测试方法。超声波:频率>2×104Hz的一种弹性介质的机械波，是声波的一种。参数：声压、声强和声阻抗8土木工程材料试验原理与方法(二)声波的衰减衰减：声波在介质传播过程中其振幅将随传播距离的增大而逐渐减小的现象。声波衰减的大小取决：超声波频率及其传播距离，被测材料的内部结构及性能。固体材料中三个原因：吸收衰减散射衰减扩散衰减9土木工程材料试验原理与方法1．吸收衰减是由于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，使部分声能转变为热能，同时由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗。通常认为，吸收衰减系数αa与频率抛物线。10土木工程材料试验原理与方法2．散射衰减αs是指当介质中存在颗粒结构时(如悬浮粒子、气泡、缺陷、掺杂物等)而导致的声波的衰减。通常，当颗粒尺寸远小于波长时，散射衰减系数αs~频率4次方；当尺寸与波长相近时，αs与频率2次方。吸收衰减与散射衰减均取决于介质本身的性质，衰减系数α是两者的和，其与频率f的关系式可表达为α＝af＋bf2＋cf411土木工程材料试验原理与方法3．扩散衰减因声波的扩散而引起的衰减声波辐射器(发射换能器)发出的超声波束都有一定的扩散角，因波束的扩散，声波的能量逐渐分散，使单位面积的能量随传播距离的增加而减弱。仅取决于声辐射器的扩散性能及波的几何形状，而与传播介质无关。选取相同的测试距离，使扩散衰减成为一恒量12土木工程材料试验原理与方法(三)分贝分贝(dB)：声学、电学中，两个量纲相同的量的比。电流比，电压比，功率比，声压比，声强比等。若P—声压，P0—基准声压，声压比p/p0，无量纲比值，分贝数＝20lg(p/p0)(dB)。由于接受波的振幅(A)与接受换能器的声压幅值成正比，声压也可用幅值比。分贝数＝20lg(A/A0)(dB)。13土木工程材料试验原理与方法声强(J)与声压(P)，功率(W)与电流或电流的平方成正比，故声强(J/J0)或功率比(W/W0)：分贝数＝10lg(J/J0)(dB)。分贝数为正——增益或放大；分贝数为负——表示衰减。计算方便，如某超声仪第一级放大10倍，二级放大100倍，三级也放大100倍，则总放大倍数为10×100×100，若用分贝20(dB)+40(dB)+40(dB)=100(dB)14土木工程材料试验原理与方法混凝土测试中超声波的特点重复间断发射，非持续、一定频率(100Hz或50Hz)间断发射。脉冲超声波不具有单一频率，而是由许多不同频率的余弦波组成的复频波，有固定主频率。频散现象：不同频率的余弦波在媒质中传播时，波速不同，波形将随距离的增大而发生畸变：脉冲开始部分的频率比后面的频率要高，越来越平、宽。频漂：频率越高，衰减越大，引起主频率向低频侧的漂移152023/2/2(1)

换能器种类的选择纵波换能器有平面换能器(声辐射面是平面)和径向换能器(声辐射面是曲面)。平面换能器使用于一般的构件的表面的对测和平测，是必备的换能器。径向换能器则用在需钻孔检测、灌注桩声测管中检测、水下检测等。2023/2/2(2)

频率选择由于衰减较大，一般使用200kHz以下低频超声波。频率选择主要取决于两个因素：结构或试件的尺寸和被测砼对超声波的衰减情况。结构尺寸包括穿透距离和构件的横截面尺寸。测距越大，超声波衰减也越大，接受波振幅也越小。接受波应具有一定的幅值对于大构件，使用低频超声波，当测距达10m以上时，通常使用20kHz或以下频率的换能器当测距较小时，为保证测度精确以及对内部缺陷和裂缝具有较高的分辨力，则尽量使用较高频率。2023/2/2结构尺寸－横截面尺寸考虑超声波传播的边界条件。常说声速，是指超声波在半无限大的介质中的传播速度，若横截面小到某种尺寸时，声速将出现明显的频散现象，表观声速明显降低。通常认为，横截面的最小尺寸应大于超声波波长的两倍以上。小截面尺寸的构件，较高频率。频率不宜太高，否则被测体将呈明显的非均质性，不利于反映总体性能。砼质量差，强度低，接受信号很微弱，应选较低频率，以期获得足够的幅度2023/2/2(3)

换能器的耦合由于固体和空气的特性阻抗相差较悬殊，当超声波由换能器传到空气的夹层时，超声能量绝大部分被反射而难以进入砼中，因此需要在砼和空气中加入一层耦合剂，耦合剂一般是液体或者膏状，充填于砼和换能器之间，排掉空气，形成耦合层，虽然该耦合层的阻抗与砼相比仍然很小，可是却比空气大的多。耦合剂一般采用廉价的黄油、凡士林和石膏浆等。也可用浆糊，但是浆糊是由悬浮液浓缩的，对声波的衰减较大。当砼表面潮湿时，由于油和水的分离，声波的衰减较大，用黄油做耦合剂的效果较差，应改用水溶性的膏状物做耦合剂。2023/2/22.

超声仪主要有同步分频、发射、接收、扫描、示波，计时显示及电源、换能器等零部件。换能器发射频率：50kHZ、100kHZ、250kHZ，测定时间有0.1～9999.9μs，测读精度为0.1μs;穿透距离根据所用换能器频率和砼强度等级的不同而不同。2023/2/23.

超声仪的检验测量空气声速的方法来检验声时的准确性。改变测距，测试一系列的间距与相应的声时，通过直线回归得出空气的声速va。空气声速的准确计算公式：式中t为空气温度(℃)δ≤0.5%，正常。2023/2/2三、常用的声学参数1．声速声速即超声波在砼中的传播速度。砼的声速与砼的弹塑性有关，也与砼的内部结构如孔隙、组成材料有关。一般说来，砼的弹性模量越高，密实程度越大，强度越高，其声速也越高。若砼内部存在缺陷如空洞、蜂窝、裂缝等，则该处的砼声速较低。2023/2/22．振幅接受波振幅通常指首波，即第一个波前半周的幅值，接受波的振幅与接受换能器处被测介质超声声压成正比，所以反映了接受到声波的强弱。在发射波强度一定时，振幅值的大小反映了超声波在砼中的衰减情况，而超声波的衰减情况又反映了砼的粘塑性性能。砼是弹－塑性体，其强度不仅和弹性性能有关，也和其粘塑性性能有关，因此衰减的大小，即振幅高低也能在一定程度上反映砼的强度。2023/2/2超声波绕过裂缝和缺陷而传播，振幅也会明显减小。振幅的大小还取决于仪器设备的性能、所处的状态、耦合状况以及测距大小等，所以很难有统一的度量标准，故目前只是在同条件(同一仪器、同一状态和同一测距)下相对比较用。2023/2/23．频率高频成分首先被吸收和散射传播越远，其包含的高频成分也越少，主频率也逐渐下降。主频率的下降，还取决于砼本身的性质和内部的结构。——观察频率的变化可以判断砼质量和内部缺陷裂缝等。接受波主频率的绝对值大小同时还与仪器设备、传播距离等有关，故也仅作为比较用。2023/2/24．波形由于超声波的绕射、反射和传播路径的复杂化，直达波，反射波和绕射波相继达到接受换能器，由于频率和相位的不同，不同波的叠加有时也会使波形发畸变。因此对波形的分析，有助于判断砼的内部质量和缺陷的存在。鉴于波形的变化影响因素较多，故对波形的研究只是作一般的观察和记录。2023/2/2四、超声法测试砼强度由于超声纵波在砼中的传播速度和砼的弹性性质有较好的相关性，而砼的弹性性质与力学强度存在内在联系，从而可用超声法推定砼的强度。知道强度和波速之间的定量关系后，即可通过波速而知道砼强度，一般强度f越高，波速V越大；由于砼的非匀质性，f－V之间的关系一般不能确定，它与砼本身的技术条件有关，如水泥品种、水泥用量、W/C、骨料品种、粒径、养护条件、含水率等有关，必须先确定发f－V曲线，然后再用于实际工程中的测定，并进行有关因素的修正，如钢筋、含水率等对波速的修正。2023/2/2(一)影响测强的主要因素1．横向尺寸效应2．温度和湿度3．钢筋4．粗骨料品种、粒径和含量5．水灰比和水泥用量6．龄期和养护方法7．砼的缺陷和损伤2023/2/21．横向尺寸效应通常纵波声速指声波在无限大的介质中的传播速度，而随着构件横向尺寸的减小，纵波速度可能向杆、板波的速度转变，即声速可能会变小。当横向尺寸d≥2λ(λ为波长)时传播速度与大块体中纵波速度之相当；当λ<d<2λ，可使传播速度降低2.5～3％；当0.2λ<d<λ时，传播速度变化较大，约降低6～7％，在这个区间里测量时，估计强度地误差可能达到30～40％；当d<0.2λ时，属于波在杆件中传播。Jones等对不同测距、最小断面尺寸和换能器固有频率的选择见表6-4。2023/2/22．温度和湿度温度：当环境温度为5～30℃时，影响不大；40～60℃时，脉冲速度约降低5％，可能由于砼内部的微裂缝增加；<0℃，水结冰，脉冲速度增加(v水＝1.45km/s，v冰＝3.50km/s)。养护：水中养护，一方面水化程度更高，另一方面，水分充分渗透并填充了孔隙，而超声波在水中传播速度高于空气中(v空气＝0.34km/s)，故砼试件的含水率增加，超声波的传播速度增加。速度的变化特性取决于砼的结构，随着砼的孔隙率的增大，干砼中超声波传播差异也很大。2023/2/23．钢筋钢筋中的波速是普通砼的1.2～1.9钢筋配置轴向垂直于传播方向时的影响较小平行于传播方向时，影响较大。一般离开钢筋轴线约1/8～1/6测距。2023/2/24．粗骨料品种、粒径和含量脉冲速度：砼>砂浆>水泥石超声脉冲在骨料中的传播速度快。骨料比例高达75％左右。砼的声速随骨料最大粒径、含量的增加而增加。实际上，砂率变化、集灰比的大小起主导作用。忽视集灰比的影响，采用声速直接估算砼的强度的误差很大。不同粗骨料品种的超声传播速度也不一样，如表6-5所示，一般石英岩>石灰岩>玄武岩>花岗岩>陶粒。2023/2/25．水灰比和水泥用量实质：影响强度，密实度以及弹性性质水灰比降低，水泥用量提高，则相应的砼的强度、密实度以及弹性性质提高，超声脉冲的传播速度相应的加快。2023/2/26．龄期和养护方法在硬化早期或低强度的砼强度fcu的增长小于声速v的增长；随着硬化的进行，或对高强砼，砼强度fcu对声速v的比例迅速增大，甚至在砼强度达到一定值后，超声波的传播速度增长极慢。2023/2/27．砼的缺陷和损伤符合正态分布砼内部不应存在面向的缺陷和损伤。砼缺陷和损伤的超声参数参与强度的评定，有可能使检测结果不真实。2023/2/2(二)超声测强曲线分为统一曲线、地区性曲线和校准曲线。测强曲线的建立——与回弹法相似选取有代表性的原材料，按最佳配比制作立方体试件。混合料最好是在施工过程中随机抽样，也可采用符合工程的配料和工艺条件在实验室成型制作。按7、14、28、60、90、180、365(d)等龄期制备试块，每一龄期由3到6个试块，每种强度等级的试块不少于30块。声速测试，应取试块的侧面，采用对测方法，测点沿对角线布置，取3或5点，取试块的平均声时。2023/2/24．

测试试块的抗压强度fcu。5．回归分析，建立模型，并确定回归效果和误差范围。常用的砼测强曲线f-V的关系曲线有如下三种形式：

(二次函数)(指数函数)(幂函数)2023/2/2适应性测强精度受很多因素的影响，适应范围有限——修正还可以采用水泥净浆或水泥砂浆声速换算法，以便消除骨料的影响，扩大适用范围，提高测试精度。声速换算法就是将原来砼测得的声速，通过砼中粗细骨料和水泥净浆所占的体积分数的关系，换算为该砼中相应的水泥石和水泥砂浆的声速。再根据换算后得到的水泥净浆或水泥砂浆的声速来推算砼的强度。2023/2/2两个砼强度fcu——v换算关系式：普通硅酸盐水泥、控制拌合物坍落度为70mm以上的砼fcuc＝0.637v3.04，该公式计算值与实测值的平均相对误差为10.23％；矿渣硅酸盐水泥、控制拌合物坍落度为70mm以上的砼fcuc＝0.218v3.64，该公式计算值与实测值的平均相对误差为10.35％。2023/2/2陕西省建科院：强度和砂浆换算声速的回归方程r=0.91，相对误差为±15.49%。2023/2/2

平测法、角测法及声速计算对砼柱、梁和剪力墙等构件可以进行超声波的对测，但是对于有些构件，如挡土墙、地下室外墙、楼板等，无法提供对测面，只能采用平测法或角测法的方法，此时可将超声波声速修正成对测声速，然后进行计算。2023/2/21．

平测法及声速计算将收、发换能器放在同一测试面上。因构件一般都是正交排列钢筋，需注意的是收、发换能器的通路连线与钢筋排列方向垂直或具有一定的角度，以减少对超声波传播的影响。一般单面平测声速比对测声速要慢，如表面光洁、平整、未受任何破坏，则1.00～1.03；如果表面粗糙、疏松，则1.04～1.10；采用变动测距L(200㎜，300㎜，400㎜……)求出平测时基本稳定的声速，然后计算v对/v平比值，最后修正平测声速。2023/2/22．

角测法及声速计算就是将收、发换能器放在相邻的测试面上进行测试。宜布置成等腰三角性，注意箍筋变动测距L（斜边）长度，计算v对/v角比值，最后修正角测声速。2023/2/2

超声－回弹综合法综合法是指采用超声仪和回弹仪，在混凝土中同一测区分别测量声速值vi及回弹值Ni，然后通过测得公式或表格推算该测混凝土的强度值Ri的一种测试方法。综合法的特点：1．减少龄期和含水率的影响。湿度高，超声速度偏高，而回弹值偏低。龄期长，超声速度的增长率下降，强度小，碳化深度提高，回弹值高，强度大，因此采用超声—回弹法可以部分的减少龄期和含水率的影响。2．弥补相互不足，提高测试精度一个物理参数只能从一方面，在一定范围内反映性能，超过一定范围，它可能就不敏感甚至不起作用。2023/2/2超声法与回弹法是反映不同方面的混凝土性能。回弹法根据表面硬度回弹值，以表层砂浆的弹性性能来推算，反映混凝土表层2～3㎝深度的强度，当强度较低，塑性变形比较大，且当构件截面尺寸和内外质量差异较大时，很难反应构件的实际情况。超声法以整个断面的动弹性来反映内部密实度和弹性性质。当混凝土强度较高的时，弹性指标变化幅度小，相应声速随强度变化的幅度也不大，微小变化往往被测试误差所掩盖。由于综合法内外结合，在较低和较高强度区间相互弥补各自不足，能减小一些因素的影响程度，较全面的反映整体混凝土的质量情况，从而提高检测精度。2023/2/2主要影响因素-石子品种、用量及粒径碎石比卵石混凝土平均偏高25％左右，这是由于卵石和碎石的表面状态完全不同，碎石表面粗糙，与砂浆的界面粘结较好，因而混凝土强度较高，卵石因表面光洁而影响粘结，混凝土强度低。不同品种、不同产地声速有差别。当石子用量变化时，声速和回弹值均随石子含量的增加而增加。粒径在20～40㎜影响不明显。2023/2/2主要影响因素-含水率/测试面含水量:影响显著一般说来，湿度越大，回弹值越低，而对超声来说，声波在水中的传播速度要比在空气中的传播速度快，因此可部分抵消。影响随强度提高而变小，但是由于混凝土的湿度与气候条件、龄期均有关系，各地所测得的影响程度区别较大，因此在现场测试中尽量采用干燥状态进行测试。3．测试面:混凝土浇注的上表面和下底面时，由于石子的离析下沉及表面水、浮浆等因素的影响，其回弹值与声速值均与浇注侧面时不同。2023/2/2其他因素的分析水泥品种和水泥用量:PO、PS、PF的C10～C50级的砼无显著影响；水泥用量在200～450㎏/m3，无显著影响；超出则影响较大。细骨料品种及砂率:粗砂、中砂及细砂的C10～C40砼无显著影响；砂率在28～44％无显著影响；>44％或<28％，有影响。碳化深度的影响：碳化深度每＋1㎜，推算强度仅比实际强度高0.6％左右；仅影响回弹值，碳化深度较大，含水量低，声速下降。外加剂的影响：木钙减水剂、硫酸钠及三乙醇胺早强复合性，无显著影响。2023/2/2强度关系砼强度Ri同声速Vi和回弹值Ni相关关系较好，粗骨料为卵石时粗骨料为碎石时运用于P·I